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– Los investigadores de KAIST han desarrollado un nuevo sensor de deformación vestible basado en la modulación de la transmitancia óptica de un elastómero embebido en nanotubos de carbono (CNT).
Cortesía de KAIST: El sensor es capaz de realizar mediciones sensibles, estables y continuas de señales físicas. Esta tecnología, presentada en la edición del 4 de marzo de ACS Applied Materials & Interfaces como un artículo de portada, muestra un gran potencial para la detección de movimientos humanos sutiles y el monitoreo en tiempo real de las posturas corporales para aplicaciones de atención médica.
Un sensor de tensión vestible debe tener una alta sensibilidad, flexibilidad y capacidad de estiramiento, así como un bajo costo. Aquellos utilizados especialmente para el monitoreo de la salud también deben estar vinculados a un desempeño sólido a largo plazo y ser ambientalmente estables. Se han desarrollado varios sensores de tensión elásticos basados en principios piezo-resistivos y capacitivos para cumplir con todos estos requisitos.
Los sensores de tensión piezo-resistivos convencionales que utilizan nanomateriales funcionales, incluidos los CNT como el ejemplo más común, han demostrado una alta sensibilidad y un excelente rendimiento de detección. Sin embargo, sufren una pobre estabilidad y linealidad a largo plazo, así como una considerable histéresis de señal.
Como alternativa, se han sugerido sensores de tensión piezo-capacitivos con mejor estabilidad, menor histéresis y mayor capacidad de estiramiento. Pero debido al hecho de que los sensores de tensión piezo-capacitivos exhiben una sensibilidad limitada y una fuerte interferencia electromagnética causada por los objetos conductores en el entorno circundante, estos sensores de tensión estirables convencionales aún enfrentan limitaciones que aún no se han resuelto.
Un equipo de investigación de KAIST dirigido por el Profesor Inkyu Park del Departamento de Ingeniería Mecánica sugirió que un sensor de deformación estirable de tipo óptico puede ser una buena alternativa para resolver las limitaciones de los sensores de deformación piezo-resistivos y piezo-capacitivos convencionales, porque tienen una alta estabilidad y están menos afectados por las perturbaciones ambientales. Luego, el equipo introdujo un sensor de tensión óptico portátil basado en los cambios de transmitancia de luz de un elastómero embebido en CNT, que aborda el problema de baja sensibilidad de los sensores de tensión ópticos extensibles ópticos convencionales.
Para lograr un amplio rango dinámico para el sensor, el Profesor Park y sus investigadores eligieron Ecoflex como un sustrato elastomérico con buena durabilidad mecánica, flexibilidad y capacidad de fijación en la piel humana, y el nuevo sensor de tensión óptico portátil desarrollado por el grupo de investigación muestra realmente Un amplio rango dinámico de 0 a 400%.
Además, los investigadores propagaron las microgrietas bajo tensión de tensión dentro de la película de CNT de paredes múltiples incrustadas en el sustrato Ecoflex, cambiando la transmitancia óptica de la película. Al hacerlo, les fue posible desarrollar un sensor de tensión portátil que tenía una sensibilidad 10 veces mayor que los sensores de tensión ópticos estirables convencionales.
El sensor propuesto también pasó la prueba de durabilidad con excelentes resultados. La respuesta del sensor después de 13,000 series de carga cíclica fue estable sin ninguna deriva notable. Esto sugiere que la respuesta del sensor se puede usar sin degradación, incluso si el sensor se usa repetidamente durante mucho tiempo y en diversas condiciones ambientales.
Usando el sensor desarrollado, el equipo de investigación pudo medir el movimiento de flexión de los dedos y lo usó para el control del robot. También desarrollaron una matriz de sensores de tres ejes para el monitoreo de la postura corporal. El sensor pudo monitorear los movimientos humanos con pequeñas deformaciones, como un pulso cerca de la arteria carótida y el movimiento muscular alrededor de la boca durante la pronunciación.
El profesor Park dijo: “En este estudio, nuestro grupo desarrolló una nueva plataforma de sensor de tensión portátil que supera muchas limitaciones de los sensores de tensión extensibles de tipo óptico, resistivos y capacitivos previamente desarrollados. Nuestro sensor podría usarse ampliamente en una variedad de campos, incluida la robótica suave, la electrónica portátil, la piel eléctrica, la atención médica e incluso el entretenimiento “.
Este trabajo fue apoyado por la National Research Foundation (NRF) de Corea.
Publicación: Jimin Gu, Donguk Kwon, Junseong Ahn e Inkyu Park. (2020) “Sensores de deformación portátiles que utilizan el cambio de transmisión de luz de los elastómeros embebidos en nanotubos de carbono con microgrietas” Materiales aplicados e interfaces ACS. Volumen 12. Número 9. Disponible en línea en https://doi.org/10.1021/acsami.9b18069
Laboratorio de micro / nano transductores (MINT Lab) Departamento de Ingeniería Mecánica (ME)
Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST)
Perfil:
Inkyu Park Jimin Gu
Profesor Ph.D. Candidato
inkyu@kaist.ac.kr mint9411@kaist.ac.kr
http://mintlab1.kaist.ac.kr MINT Lab KAIST ME
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